(57)【要約】    【課題】  双極子能率を持たない非極性分子であっても広い周波数範囲で運動を検出することのできる、非極性分子の運動の電気的検出方法を提供する。    【解決手段】  非極性分子５の周囲に、９０度ごとに第１の電極１，第２の電極２，第３の電極３，第４の電極４の４つの電極を順に配置し、第１の電極１と第３の電極３に同位相の交流電圧を印加し、この交流電圧とは逆位相の交流電圧を第２の電極２と第４の電極４に印加する。双極子能率を持たない非極性分子であっても広い周波数範囲で運動を検出することができる。    【選択図】  図２
2007033219.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも４つの電極が発生させる電場勾配と、非極性分子の４重極能率との相互作用に基づいて、前記非極性分子の運動を検出することを特徴とする非極性分子の誘電測定法。
【請求項２】
前記非極性分子の周囲に９０度ごとに第１の電極，第２の電極，第３の電極，第４の電極を順に配置し、前記第１の電極と前記第３の電極に同位相の交流電圧を印加し、この交流電圧とは逆位相の交流電圧を前記第２の電極と前記第４の電極に印加することを特徴とする請求項１記載の非極性分子の誘電測定法。
【請求項３】
少なくとも２行，２列に相互に平行かつ等間隔に線状の電極を配置し、隣接する電極が相互に逆位相になるように交流電圧を印加することを特徴とする請求項１記載の非極性分子の誘電測定法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非極性分子の運動の電気的検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、分子は対称中心を持たずに電気双極子能率を持つ極性分子と、対称中心を持つため電気双極子能率を持たない非極性分子に分類される。
【０００３】
このうち、極性分子の運動の解析は、対向する２枚の平行電極が作り出す均一な電場を使用する誘電測定が広く使用されている。この方法は、双極子能率を持つ極性分子の運動に適しており、内部回転自由度を持つ極性分子を含む固体や液体の誘電率を周波数の関数として測定すると、図６に示すようなグラフが得られる。この図が示すように、分子の回転運動が交流電圧の時間変化に追随できなくなる周波数ｆｃで誘電損失がピークを示し誘電率が減少する。
【０００４】
一方、双極子能率が反対方向に結合して双極子能率を持たない非極性分子の場合は、各双極子能率に働く力が相殺されるため、電場と分子方向の間の相互作用はない。したがって、一組の２枚電極が発生する均一電場を使用する誘電測定法では、非極性分子の運動を検出することは不可能である。
【０００５】
そこで、従来、均一電場を用いる通常の誘電測定法を適用できない非極性分子の運動や緩和の測定には、ラマン散光などの光学的な方法や中性子非弾性散乱法が使用されてきた。しかし、光学的な方法は可視光（１０１４Ｈｚ）を使用するため、観測できる緩和現象が限られており、１０１１Ｈｚ以下の現象は測定が困難であった。また、非弾性中性子散乱も１０１２Ｈｚ程度の振動数の中性子を使用するため、１０１０Ｈｚより遅い運動を捉えることはエネルギー分解能の関係で現在の技術では困難であった。
【非特許文献１】物質構造と誘電体入門  高重正明著  裳華房  ２００３年発行  ４６ページ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記問題点に鑑み、双極子能率を持たない非極性分子であっても広い周波数範囲で運動を検出することのできる、非極性分子の運動の電気的検出方法を提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の請求項１記載の非極性分子の誘電測定法は、少なくとも４つの電極が発生させる電場勾配と、非極性分子の４重極能率との相互作用に基づいて、前記非極性分子の運動を検出することを特徴とする。
【０００８】
本発明の請求項２記載の非極性分子の誘電測定法は、請求項１において、前記非極性分子の周囲に９０度ごとに第１の電極，第２の電極，第３の電極，第４の電極を順に配置し、前記第１の電極と前記第３の電極に同位相の交流電圧を印加し、この交流電圧とは逆位相の交流電圧を前記第２の電極と前記第４の電極に印加することを特徴とする。
【０００９】
本発明の請求項３記載の非極性分子の誘電測定法は、請求項１において、少なくとも２行，２列に相互に平行かつ等間隔に線状の電極を配置し、隣接する電極が相互に逆位相になるように交流電圧を印加することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の非極性分子の誘電測定法によれば、少なくとも４つの電極を用いることにより電場勾配を発生させることができ、双極子能率を持たない非極性分子であっても広い周波数範囲で運動を検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、添付する図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本発明において分子とは、広い意味で複数の原子から構成される原子集団を指す。
【００１２】
はじめに、前提となる測定原理について説明する。図１に電場と極性分子の相互作用を模式的に示す。従来の誘電測定法は、この図１に示すように、２枚の平行電極が発生する均一な電場Ｅと、分子内の負電荷Ｂから正電荷Ａへ向かう双極子能率との相互作用によって、分子軸方向が交番電場によって変化することを利用している。この方法は、双極子能率をもつ極性分子の運動の解析には非常に有効である。
【００１３】
一方、図２に示すように、正電荷Ａ，Ｄ、負電荷Ｂ，Ｃによる同じ大きさの２つの双極子能率Ａ＋Ｂ−とＣ−Ｄ＋が反対向きに結合した非極性分子の場合、Ｂ−Ａ＋に働く電場ＥｂａとＣ−Ｄ＋に働く電場Ｅｃｄが等しく、その作用が打ち消し合うため、分子の方向を変えることができない。したがって、２枚の平行電極が発生する均一な電場を用いる限り、非極性分子の運動を電気的に検出することは不可能である。
【００１４】
しかし、図３に示すように、９０度ごとに配置した４つの電極を使用し、１８０度に対向する２つの電極に同位相の交流電圧を印加し、これとは逆位相の交流電圧を隣の９０度の位置にある２つの電極に印加することで、Ｂ−Ａ＋に働く電場ＥｂａとＣ−Ｄ＋に働く電場Ｅｃｄを変化させることができる。そして、図３の左に示す電位配列から図３の左に示す電位配列に移行することによって、分子軸を回転させることが可能である。
【００１５】
なお、ここで対象としている双極子能率が２つ反対方向に結合したものは、一般的に４重極能率と定義されている。また、図３に示す４つの電極が発生する不均一電場は、一般的に電場勾配を持つと定義されるが、上述のとおり４重極能率と相互作用を有する。
【００１６】
つぎに、この方法の基本原理について、数式を用いて詳細に説明する。原点
【００１７】
【数１】
2007033219.tif 000003
【００１８】
近傍に、対象とする分子を置き、その電荷密度分布を
【００１９】
【数２】
2007033219.tif 000004
【００２０】
とする。また、電極電荷の代わりとして、単位電荷を位置
【００２１】
【数３】
2007033219.tif 000005
【００２２】
に置いたときのポテンシャルを
【００２３】
【数４】
2007033219.tif 000006
【００２４】
とすると、
【００２５】
【数５】
2007033219.tif 000007
【００２６】
と書ける。ここで
【００２７】
【数６】
2007033219.tif 000008
【００２８】
を
【００２９】
【数７】
2007033219.tif 000009
【００３０】
と
【００３１】
【数８】
2007033219.tif 000010
【００３２】
との間の角度とすると
【００３３】
【数９】
2007033219.tif 000011
【００３４】
と書ける。これを
【００３５】
【数１０】
2007033219.tif 000012
【００３６】
の冪乗で展開すると
【００３７】
【数１１】
2007033219.tif 000013
【００３８】
となり
【００３９】
【数１２】
2007033219.tif 000014
【００４０】
と置くと、
【００４１】
【数１３】
2007033219.tif 000015
【００４２】
は
【００４３】
【数１４】
2007033219.tif 000016
【００４４】
と定義されるルジャンドル関数で、最初の数項は
【００４５】
【数１５】
2007033219.tif 000017
【００４６】
【数１６】
2007033219.tif 000018
【００４７】
【数１７】
2007033219.tif 000019
【００４８】
【数１８】
2007033219.tif 000020
【００４９】
と書き表される。
【００５０】
静電ポテンシャルを原点
【００５１】
【数１９】
2007033219.tif 000021
【００５２】
のまわりで展開したときの展開の第０項、つまり
【００５３】
【数２０】
2007033219.tif 000022
【００５４】
として
【００５５】
【数２１】
2007033219.tif 000023
【００５６】
と置いたときの値
【００５７】
【数２２】
2007033219.tif 000024
【００５８】
は位置
【００５９】
【数２３】
2007033219.tif 000025
【００６０】
にある単位電荷と、全電荷
【００６１】
【数２４】
2007033219.tif 000026
【００６２】
との相互作用に対応する。
【００６３】
展開の第１項、
【００６４】
【数２５】
2007033219.tif 000027
【００６５】
の項、
【００６６】
【数２６】
2007033219.tif 000028
【００６７】
は位置
【００６８】
【数２７】
2007033219.tif 000029
【００６９】
に置いた単位電荷によるポテンシャルの１次微分項（電場）
【００７０】
【数２８】
2007033219.tif 000030
【００７１】
と
【００７２】
【数２９】
2007033219.tif 000031
【００７３】
で表される分子の電荷の偏り（双極子能率）との相互作用を表す。
【００７４】
展開の第２項、
【００７５】
【数３０】
2007033219.tif 000032
【００７６】
の項、
【００７７】
【数３１】
2007033219.tif 000033
【００７８】
は電場の位置に対する１次微分、つまりポテンシャルの２次微分
【００７９】
【数３２】
2007033219.tif 000034
【００８０】
と電荷分布が持つ４重極能率
【００８１】
【数３３】
2007033219.tif 000035
【００８２】
の積で表される相互作用のエネルギーである。
【００８３】
２枚の平行平板による均一な電場を使用した従来の誘電測定法は、前記ポテンシャル展開の第１項、静電ポテンシャルの位置についての１次微分項、つまり電場と電荷の偏りの目安である双極子能率の相互作用を利用している。この展開の第１項を使う均一電場法では、双極子能率を持たない非極性分子の運動を電気的に検出することは不可能である。
【００８４】
本発明での少なくとも４つの電極が生じさせる不均一電場を使う方法がその基礎とするのは、前記ポテンシャル展開の第２項、電場の位置に対する１次微分（電場勾配）と４重極能率の相互作用である。４重極能率とは、前記双極子能率が２個反対方向に結合したものを指す。この第２項は、極性分子の双極子能率と平行２電極による均一電場の組み合わせの場合と同様、電場勾配と非極性分子のもつ４重極能率の相互作用を使い、少なくとも４つの電極を介して電気エネルギーを分子運動へと変換することが可能であり、これを利用して非極性分子の運動を電気的に検出することができることを示している。
【００８５】
このように、本発明の非極性分子の誘電測定法によれば、少なくとも４つの電極を用いることにより電場勾配を発生させることができ、これまでには得ることができなかった分子の新たな電気応答情報を得ることができ、双極子能率を持たない非極性分子であっても、電場勾配と非極性分子が持つ４重極能率の相互作用を通じて、広い周波数範囲で運動を検出することができる。そして、非極性分子を含む固体，液体及び気体など、物質中に含まれる非極性分子の回転振動数を系統的に調べることによって、分子間に働く力の大きさと分子の慣性モーメントを算出し、分子間の相互作用の原因を探ることができる。
【００８６】
４重極能率から派生する電気応答情報は、新しい機能を持つ電気材料の探索に有効である。また、一般的な熱分析法の１つである示差熱分析法などと併用して本発明の測定法を用いれば、物質内分子がもつ内部自由度に関係する相転移、或いは固体中で起きる４重極整列相転移などを捉えることができ、材料科学分野での新たな分析技術としての発展も期待される。
【００８７】
つぎに、本発明の各実施例に基づいて具体的に説明する。
【実施例１】
【００８８】
本実施例では、図４に示すように、４つの電極として、９０度ごとに順に配置した第１の電極１，第２の電極２，第３の電極３，第４の電極４を用いている。これらの電極は、円筒形を４分の１に切断した円弧状に金属平板を曲げて形成され、円弧の外曲面を中心方向に向けて配置されている。このような形状、配置とすることによって４つの電極１，２，３，４に囲まれた中央部で比較的一様な電場勾配を得ることができるが、これに限らず、電極１，２，３，４を円柱状、又は平板状としてもよい。そして、これらの電極１，２，３，４に囲まれた中央部に被測定対象となる非極性分子５を含む固体単結晶，固体粉末，液体又は気体などの測定試料が挟み込まれるようになっている。
【００８９】
１８０度に対向する第１の電極１と第３の電極３は、共通のリード線６ａと交流インピーダンス測定機能を有する交流電源７に接続している。また、第１の電極１と第３の電極３の隣の９０度の位置にある第２の電極２と第４の電極４は、別の共通のリード線６ｂと交流インピーダンス測定機能を有する交流電源７に接続している。なお、交流インピーダンス測定機能を有するＬＣＲメーターもこの測定に使用可能である。
【００９０】
測定を行う場合には、被測定対象となる非極性分子５を含む固体単結晶，固体粉末，液体又は気体などの測定試料を、４つの電極１，２，３，４に囲まれた中央部に設置する。そして、第１の電極１と第３の電極３に共通のリード線６ａを介して同位相の交流電圧を印加し、この交流電圧とは逆位相の交流電圧を別の共通のリード線６ｂを介して第２の電極２と第４の電極４に印加すると、４つの電極１，２，３，４に囲まれた中央部に不均一電場、すなわち電場勾配が発生する。この状態で非極性分子５の複素誘電率を測定する。このようにして得られた誘電率と誘電損失の周波数依存性から、非極性分子５の回転運動の緩和を電気的に検出する。
【００９１】
以上のように、本実施例は、４つの電極１，２，３，４が発生させる電場勾配と、非極性分子５の４重極能率との相互作用に基づいて、前記非極性分子５の運動を検出するものであり、前記非極性分子５の周囲に９０度ごとに第１の電極１，第２の電極２，第３の電極３，第４の電極４を順に配置し、前記第１の電極１と前記第３の電極３に同位相の交流電圧を印加し、この交流電圧とは逆位相の交流電圧を前記第２の電極２と前記第４の電極４に印加するものである。
【００９２】
本実施例によれば、非極性分子５の方向を電気的に変化させることができる。つまり、４つの電極１，２，３，４を介して、電気エネルギーを非極性分子５の回転エネルギーに変換し、このエネルギーの流れを複素インピーダンス或いは誘電損失の変化として電気的に検出することが可能となる。なお、誘電率や誘電損失などの交流インピーダンスの周波数依存性から分子の回転の限界周波数を探るやり方は、極性分子に均一電場を用いる従来の方法と同じである。
【００９３】
また、これまで非極性分子のモード解析の一般的な方法として使用されてきたラマン散乱方で捉えられる運動のタイムスケールが１０−１１秒以下であるのに対して、本実施例によれば通常の誘電測定装置が使用できるため、１０３秒から１０−１０秒の広範なタイムスケールでの緩和現象の観測が可能である。
【実施例２】
【００９４】
本実施例では、図５に示すように、４行，４列に相互に平行かつ等間隔に配置した線状の電極８ａ，８ｂを用いている。電極８ａと電極８ｂは、行方向、列方向ともに交互に、それぞれ２つずつ配列されている。そして、これらの電極８ａ，８ｂに囲まれた領域に被測定対象となる非極性分子を含む固体単結晶，固体粉末，液体又は気体などの測定試料（図示せず）が配置されるようになっている。
【００９５】
そして、電極８ａは、共通のリード線９ａと交流インピーダンス測定機能を有する交流電源10に接続しており、残りの電極８ｂは、別の共通のリード線８ｂと交流インピーダンス測定機能を有する交流電源10に接続している。
【００９６】
測定を行う場合には、被測定対象となる非極性分子を含む固体単結晶，固体粉末，液体又は気体などの測定試料を、電極８ａ，８ｂに囲まれた領域に設置する。そして、電極８ａに共通のリード線９ａを介して同位相の交流電圧を印加し、この交流電圧とは逆位相の交流電圧を別の共通のリード線９ｂを介して電極９ｂに印加する。すなわち、隣接する電極が相互に逆位相になるように交流電圧を印加する。このようにすると、上記実施例１と同様に、電極８ａ，８ｂに囲まれた領域に不均一電場、すなわち電場勾配が発生し、この状態で非極性分子の複素誘電率の変化により分子の回転運動を電気的に検出する。
【００９７】
以上のように、本実施例は、４行，４列に相互に平行かつ等間隔に線状の電極８ａ，８ｂを配置し、隣接する電極が相互に逆位相になるように交流電圧を印加するものであり、上記実施例１と同様に、双極子能率を持たない非極性分子であっても広い周波数範囲で運動を検出することができる。
【００９８】
なお、本発明は上記各実施例に限定されるものではなく、本発明の思想を逸脱しない範囲で種々の変形実施が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００９９】
現在、誘電測定は固体や液体（凝縮体）中の物性評価や分析方法の１つとして広範囲に使用されている。本発明はこの方法での検出分子を極性分子から非極性分子に広げるものであり、基本的な固体及び液体の分析方法として有効である。例えば、プラスチック中での高分子の配向秩序はその強度や電気的な特性を決める大きな因子の１つであり、従来技術としての誘電測定は極性分子の物理解析法として広く使用され効果を上げている。本発明による非極性分子の解析法への拡張は、プラスチック材料の開発にも寄与するものと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】均一電場と極性分子の相互作用を示す模式図である。
【図２】均一電場と非極性分子の相互作用を示す模式図である。
【図３】本発明の非極性分子の誘電測定法の原理を示す模式図である。
【図４】本発明の非極性分子の誘電測定法の実施例１を示す模式図である。
【図５】本発明の非極性分子の誘電測定法の実施例２を示す模式図である
【図６】従来技術における極性分子の誘電率と周波数の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１０１】
１  第１の電極（電極）
２  第２の電極（電極）
３  第３の電極（電極）
４  第４の電極（電極）
５  非極性分子
８ａ，８ｂ  電極
【図１】
2007033219.tif 000036
【図２】
2007033219.tif 000037
【図３】
2007033219.tif 000038
【図４】
2007033219.tif 000039
【図５】
2007033219.tif 000040
【図６】
2007033219.tif 000041